Teach with Space ASTROCROPS - Pflanzenanbau bei zukünftigen Weltraummissionen

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Teach with Space ASTROCROPS - Pflanzenanbau bei zukünftigen Weltraummissionen
Grundstufe | PR43

teach with Space
    ASTROCROPS
     Pflanzenanbau bei zukünftigen Weltraummissionen

Leitfaden für Lehrer und Übungen für Schüler
Leitfaden für Lehrer

                       Die wichtigsten Fakten                                                   Seite 3

                       Einführung                                                               Seite 4

                       Übung 1: Anbau                                                           Seite 5

                       Links                                                                    Seite 8

                       Arbeitsprotokoll                                                         Seite 9

                          Teach with Space – AstroCrops | PR43
                          www.esa.int/education

                          Das ESA Education Office, die Bildungsorganisation der ESA, freut sich über Feedback
                          und Anmerkungen:
                          teachers@esa.int

                          Eine Produktion von ESA Education
                          Copyright © European Space Agency 2019

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ASTROCROPS
   Pflanzenanbau bei zukünftigen Weltraummissionen

    Die wichtigsten Fakten                                   Kurzbeschreibung
     Fach: Naturwissenschaft, Biologie                       Bei dieser Übung eignen sich die Schüler
                                                             Wissen über die Keimung und das Pflanzen-
     Altersgruppe: 8–12 Jahre                                wachstum an, indem sie die Entwicklung
     Art: Übung für Schüler, Schulprojekt                    dreier ihnen unbekannter Pflanzenarten über
                                                             12 Wochen verfolgen. Sie werden das Wachs-
     Schwierigkeitsgrad: mittel                              tum und den Zustand der Pflanzen messen
     Benötigte Unterrichtszeit: 30 Minuten pro Wo-           bzw. beobachten. Anhand ihrer Beobachtun-
     che; 12 Wochen lang                                     gen werden die Schüler Vermutungen über
     Kosten: mittel                                          die Art der gezogenen Pflanzen anstellen und
     Ort: Klassenzimmer                                      besprechen, ob die Pflanzen für Langzeitmis-
                                                             sionen ins Weltall geeignet sind.
     Erforderliche Materialien: Ausrüstung zum
                                                             Diese Übung gehört zu einer Reihe an Lehr-
     Gärtnern
                                                             mitteln, die auch „AstroFood“ – die Unter-
                                                             suchung diverser Nahrungsmittel auf Welt-
     Schlüsselwörter: Naturwissenschaft, Biologie,           raumtauglichkeit – und „AstroFarmer“ – die
     Pflanzen, Samen, Keimung, Basilikum, Tomate,            Untersuchung der Einflussfaktoren auf das
     Radieschen, Stängel, Blatt, Frucht, Blüte, Wurzel       Pflanzenwachstum im All – umfasst.

    Die Schüler lernen:
     •   Die Reifung von Samen zu Pflanzen zu beobachten und zu beschreiben
     •   Wissenschaftlich sinnvolle Aufzeichnungen zu führen und Kennzeichnungen zu verwenden
     •   Das systematische Beobachten und Messen
     •   Ergebnisse auszuwerten und daraus Schlussfolgerungen zu ziehen
     •   Sachverhalte vergleichend und objektiv zu prüfen

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Einführung
   Wenn Astronauten auf dem Mond siedeln oder weiter ins Sonnensystem vordringen sollen, brauchen
   sie Luft, Nahrung und Wasser. Im Moment befinden sich Menschen nur auf der Internationalen
   Raumstation ISS längere Zeit im All. Allerdings wird die ISS von der Erde aus mit Wasser und Nahrung
   versorgt. Als Faustregel geht man dabei davon aus, dass jeder Astronaut pro Tag 1 kg Sauerstoff,
   1 kg Trockennahrung und 3 kg Wasser benötigt. Allerdings ist es teuer und bei Langzeitmissionen zu
   unpraktisch, diese 5 kg, die ein Astronaut pro Tag braucht, von der Erde liefern zu lassen. Also forscht
   man derzeit an der Entwicklung in sich geschlossener Lebenserhaltungssysteme für den Weltraum.
   Solche Systeme würden die weitere Erkundung des Weltraums ermöglichen, und auch auf der Erde
   würden uns die gewonnenen Erkenntnisse helfen, sinnvoller mit unseren Ressourcen umzugehen.
   Das ESA-Programm „Micro-Ecological Life Support System Alternative“ (MELiSSA) arbeitet an einem
   Lebenserhaltungssystem für Raumfahrzeuge, aus dem sich Astronauten ohne andere Unterstützung
   mit Sauerstoff, Wasser und Nahrung versorgen könnten. Um dies zu erreichen, müsste es alles an Bord
   recyceln können – ohne Nachschub von der Erde. Menschliche Ausscheidungen und ausgeatmetes
   CO2 würden Pflanzen alles Nötige für ihr Wachstum liefern, damit diese dann als Sauerstoff- und
   Nahrungslieferanten sowie zur Filterung des Abwassers dienen.

                                                                                                                                                  Abbildung 1

                                                                           Ungenießbare Elemente höherer Pflanzen

                                                                                           BESATZUNG                                                Faserabbau

                                                                    Wasser
                                                                                                                       Abfall

                                                                                                                                       BEREICH 1
                                                                                                                                       Thermophile
                                                    Nahrung                                                                         anaerobe Bakterien

                                                              BEREICH IV
                                                                                                                                    Kurzkettige
                                                                                                                                    Fettsäuren
                                                                    Photoautotrophe Bakterien
                                       Bereich mit höheren Pflanzen   Arthrospira platensis

                                                                                                                                  Mineralstoffe

                                                                      BEREICH III                          BEREICH II
                                                                       Nitrifizierer                Photoheterotrophe Bakterien
                                                                      Nitrosomonas                    Rhodospirillum rubrum
                                                                       Nitrobacter
                                                                                       Mineralstoffe

                        ↑ MELiSSAs geschlossenes System im Überblick

   Im Rahmen von MELiSSA wird erforscht, wie weltraumtauglich bestimmte Pflanzen sind und wie
   sie sich in einem geschlossenen System anbauen ließen. Für interessierte Laien wie euch gibt es
   AstroPlant, ein englischsprachiges wissenschaftliches Projekt zur Erhebung nützlicher Daten rund
   um das Pflanzenwachstum.
   Im Folgenden sollen die Schüler selbst weltraumtaugliche Pflanzen ziehen und ihre Reifung vom
   Samen bis zur ausgewachsenen Pflanze verfolgen.

                                                                                                4
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Übung 1: Anbau
   Bei dieser Übung beobachten die Schüler, wie sich aus drei Arten von Samen, die sie nicht kennen,
   Pflanzen entwickeln. Beim Heranreifen der Pflanzen erfahren die Schüler, wie man wissenschaftliche
   Beobachtungen anstellt und Wachstumsdaten aufzeichnet. Zum Abschluss der Übung stellen die
   Schüler ihre Ergebnisse in einem Brief an Paxi vor.
   Material
     •   1 Protokollheft zur Datenaufzeichnung für jede Gruppe
     •   Lineal
     •   3 Pflanztöpfe pro Gruppe
     •   Erde oder ein anderes Wachstumssubstrat
     •   Dünger
     •   Basilikum-, Radieschen- und Tomatensamen

   Übung
   Teilen Sie die Klasse in Gruppen zu je drei oder vier Schülern ein und geben Sie jeder Gruppe drei
   Pflanztöpfe sowie Erde, Dünger und Samen. Lassen Sie die Töpfe mit A, B und C beschriften, aber
   verraten Sie den Schülern nicht, was das für Samen sind, die sie in den Töpfen ziehen sollen. Für diese
   Übung empfehlen sich Basilikum-, Radieschen- und Tomatensamen. Es folgen Pflanzanleitungen
   für jede Samenart.

   Pflanze A – Basilikum
   Lassen Sie die Schüler Topf A zu ¾ mit Pflanzerde füllen und diese mit Wasser anfeuchten. Dann
   können einige Samen in die feuchte Erde gesetzt und mit einer dünnen Schicht Erde abgedeckt
   werden. Die Keimzeit der Samen beträgt 8 bis 12 Tage, dann stechen die Stängel aus der Erde.
   Während dieser Zeit müssen die Schüler die Erde mit den Samen darin immer leicht feucht halten.
   Nach der Keimung kann Dünger hinzugefügt werden. Ganz zu Anfang benötigen die Samen noch
   keinen Dünger, weil sie selbst genügend Nährstoffe enthalten. Wählen Sie einen sonnigen Standort
   für den Topf. Bis das Basilikum zu einer vollwertigen Pflanze herangewachsen ist, werden rund
   6 Wochen vergehen. Achten Sie darauf, die Pflanze nicht zu stark zu wässern.

                            2 Wochen           3 Wochen                    4 Wochen

                                 5 Wochen                            6 Wochen

                            2 Wochen                  5
                                               3 Wochen                4 Wochen
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Pflanze B – Radieschen
   Radieschen, ein Wurzelgemüse, kommen auch mit kühlen Temperaturen zurecht. Lassen Sie den
   Topf locker mit Erde füllen und einige Radieschensamen hinzugeben. Am Anfang ist es in Ordnung,
   mehrere Pflanzen in großer Nähe zueinander keimen zu lassen, doch dann sollten die schwächsten
   Keimlinge entfernt werden, um den stärkeren mehr Platz im Topf zu lassen. Radieschen vertragen
   kühle Witterung, brauchen aber viel Licht und feuchten (aber nicht nassen) Boden. Sobald die Stängel
   der Pflanzen durch die Erde stechen, kann etwas Dünger/Pflanzennahrung zur Unterstützung des
   Wachstums hinzugegeben werden. In rund 4 Wochen reifen die Radieschen heran.

   Pflanze C – Tomate
   Wenn man Tomaten Wärme und Zeit schenkt – sie brauchen mit rund 12 Wochen Wachstumszeit
   am längsten in diesem Experiment – belohnen sie den Gärtner mit einer langen Saison. Lassen
   Sie die Erde anfeuchten und in diesem Zustand bis 2 cm unter den Rand in einen Topf füllen.
   Dann kommen 2 bis 3 Samen in jeden Topf und werden mit rund 1 cm Erde bedeckt. Diese wird
   angedrückt und angefeuchtet. Zu Beginn ist es ratsam, die Töpfe mit Klarsichtfolie zu bedecken,
   damit die Feuchtigkeit nicht entweicht. Suchen Sie mit den Schülern einen warmen, sonnigen
   Ort für die Töpfe. Sobald die Sprossen aus der Erde hervorkommen, muss die Plastikfolie entfernt
   werden. Sind die Pflanzen noch etwas gewachsen, lassen Sie die kleinsten entfernen, sodass nur
   die stärkste, vielversprechendste Pflanze allein im Topf ist. Die Erde muss weiterhin ständig feucht,
   aber nicht nass sein. Wenn die Pflanze noch ein bisschen größer geworden ist, kann sie Dünger/
   Pflanzennahrung zur Unterstützung erhalten.
                                                                     Fruchtbildung   Fruchtreifung
                                                                     (20–30 Tage)    (15–20 Tage)
                                                 Blütenbildung
                                                 (20–30 Tage)

                                Wachstumsphase
                                 (20–25 Tage)
                 Frühwachstum
                 (25–35 Tage)

                                                                 6
teach with Space – AstroCrops | PR43                                 Fruchtbildung   Fruchtreifung
                                                                     (20–30 Tage)    (15–20 Tage)
                                                 Blütenbildung
Datenerhebung
   Im Leitfaden für Schüler finden Sie ein Protokollheft für die Datenerhebung. Drucken Sie es für jede
   Gruppe aus. Es empfiehlt sich, jede Pflanze einmal pro Woche zu vermessen bzw. zu begutachten
   und diese Daten ins Heft einzutragen. Die Schüler können das Deckblatt selbst gestalten und
   ihren Gruppen Namen geben. Die Tabellen sind dazu da, die Höhe der Pflanzen und die Anzahl
   ihrer Blätter, Früchte und Blüten einzutragen. Außerdem ist Platz für Anmerkungen, beispielsweise
   das Wetter in der jeweiligen Woche, die Gießmenge oder sonstige wichtige Informationen. Was da
   heranwächst, können die Schüler in einer Sonderzeile vermuten. Das Heft bietet auch genug Platz
   für Zeichnungen von den Pflanzen, um den Wuchs genau nachzuvollziehen. Halten Sie die Schüler
   dazu an, die Pflanzenteile zu kennzeichnen: Blätter, Blüten, Frucht und Stängel.

   Ausgewachsene Pflanzen bzw. ihre Früchte können die Schüler ernten und essen. Fragen Sie sie
   vorher, welche Pflanzenteile sie für essbar halten. Waschen Sie vor dem Essen alles gründlich und
   erkundigen Sie sich nach Allergien.

   Diskussion
   Die drei Pflanzenarten wachsen unterschiedlich schnell und unterscheiden sich auch in ihren
   essbaren Bestandteilen. Radieschen wachsen am schnellsten: In nur 4 Wochen können sie erntereif
   sein. Beim Basilikum dauert es etwa 6 bis 8 Wochen und Tomaten benötigen rund 12 Wochen
   Zeit. Essbar sind die Blätter des Basilikums, die Wurzel der Radieschenpflanze und die Frucht der
   Tomatenpflanze.

   Fragen Sie die Schüler, welche Pflanze sie während einer Langzeitmission im Weltraum am
   tauglichsten für den Anbau halten. Die ideale essbare Pflanze wächst schnell, ist wenig empfindlich
   und bietet großen Nährwert, ohne viel Platz oder Pflege zu erfordern. Fordern Sie die Schüler auf,
   Paxi ihre Schlussfolgerungen in einem Brief zu schildern. Die Schülerbriefe können Sie Paxi per
   E-Mail an paxi@esa.int zukommen lassen.

   Als Zusatzaufgabe können Sie Ihre Schüler fragen, ob ihnen noch andere Pflanzen als die hier
   untersuchten einfallen, die möglicherweise noch besser für den Anbau bei Langzeitmissionen
   geeignet sind. Derzeit nehmen Weltraumforscher hierfür Weizen und Kartoffeln unter die Lupe.

   Zusammenfassung
   Im Weltraum können wir uns nur innerhalb einer kontrollierten Umgebung aufhalten, weil das
   All selbst zu extrem ist: Die Temperatur kann tief unter den Gefrierpunkt sinken, und es kommen
   längere Dunkelperioden vor, in denen die Fotosynthese der Pflanzen ausgesetzt ist. Deshalb
   müssen auch die Pflanzen, von denen wir uns All ernähren wollen, in einem kontrollierten System
   angebaut werden. Darin ist der Einfluss von außen – sprich der Wassermangel, die Dunkelheit und
   die Temperaturschwankungen – geringer. Weiteren Einblick in die Faktoren, die das Wachstum von
   Pflanzen beeinflussen, geben die Lehrmittel AstroFood und AstroFarmer.

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LINKS
   ESA-Ressourcen
   AstroFood
   esa.int/Education/Teachers_Corner/Astrofood_-_Learning_about_edible_plants_in_Space_Teach_
   with_space_PR41

   AstroFarmer
   esa.int/Education/Teachers_Corner/Astrofarmer_-_Learning_about_conditions_for_plant_growth_
   Teach_with_space_PR42

   „Moon Camp“-Challenge esa.int/Education/Moon_Camp

   Mission X: Trainiere wie ein Astronaut www.stem.org.uk/missionx

   Animationen des Monds mit den Grundlagen des Lebens auf dem Mond
   esa.int/Education/Moon_Camp/The_basics_of_living

   ESA-Ressourcen für den Unterricht esa.int/Education/Classroom_resources

   Paxi-Animationen esa.int/kids/en/Multimedia/Paxi_animations

   ESA-Missionen

   MELiSSA esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Melissa

   Eden ISS https://eden-iss.net

   Weitere Informationen
   MELiSSA Foundation www.melissafoundation.org

   MELiSSA testet Spirulina
   directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/m/melissa

   ESA Euronews – Nahrungsmittelanbau im All
   esa.int/spaceinvideos/Videos/2016/05/ESA_Euronews_Growing_food_in_space

   Laienprojekt AstroPlant, unterstützt von der ESA www.astroplant.io

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AstroCrops
   Protokollheft

Gruppe: _________
Paxi braucht eure Hilfe

Paxi möchte mehr über Pflanzen wissen,
die er auf seinen weiten Raumflügen selbst
anbauen könnte, deshalb braucht er eure
Hilfe. Ihr sollt jetzt wie echte Forscher
eine wissenschaftliche Untersuchung
durchführen. Dazu müsst ihr aufmerksam
beobachten, Messungen vornehmen und
Daten aufzeichnen. Paxi sagt euch, was zu
tun ist.

Aufgabe: Untersucht, wie sich drei euch
unbekannte Samen im Laufe von 12 Wochen
entwickeln. Findet heraus, um welche
Pflanzen es sich handelt, und entscheidet,
welche ihr mit ins All nehmen würdet.

  Woche 0                                                     Datum:______

                                        Zeichnet die Samen.

             Pflanze A                          Pflanze B     Pflanze C
Woche 1
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 2
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 3
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 4
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 5
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 6
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 7
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 8
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 9
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 10
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 11
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Woche 12
                                                            Datum:______

                          Tragt die Messungen ein.

             Pflanze      A                          B               C

Höhe (cm)

Anzahl der
Blätter

Anzahl der
Früchte

Anzahl der
Blüten

Das bauen wir
möglicherweise an:

Anmerkungen:

                         Zeichnet die Pflanzen.

             Pflanze A          Pflanze B                Pflanze C
Brief an

Lieber Paxi,
wir haben unsere Mission erfüllt! Nach genauer Beobachtung der drei Samenarten sind das unsere
Vermutungen:
Pflanze A _______

Pflanze B _______

Pflanze C _______

In den Weltraum würden wir ______________ mitnehmen, weil _________________

_________________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

Es grüßen Deine Freunde
_________________________________________________
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